Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
ни. николайкин НЕ. НИКОЛАЙКИНА ОП. МЕЛЕХОВА Высшее образование э КОЛО Г И я Рекомендовано Министерством образования 'оссийскои Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, ручающихся по направлениям подготовки в области 550000 Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное МОСКВА 2004 УДК 574(075.8) ББК я Н Рецензенты кафедра Экология и промышленная безопасность Московского государственного технического университета им. Н. Э. Б ау м ан аза в . кафедрой др техн. наук, проф СВ. Белов); чл- корр. РАН, др биол. наук, проф Е. А. Криксу нов МГУ им. МВ. Ломоносова чл- корр. РАН, др хим. наук, проф Н. П. Тарасова ( Р Х ТУ им. Д . ИМ е н деле е в а ) Николайкин НИ. Н Экология Учеб. для вузов / НИ. Николайкин, НЕ. Ни- колайкина, ОП. Мелехова. — е изд, стереотип. — М Дрофа, 2004. — 624 сил В учебнике приведены сведения об истории развития экологии, рассмотрены закономерности взаимоотношений организмов на всех уровнях организации со средой их обитания, а также биосфера в целом, пределы ее устойчивости, роль и место человека в ней изложены современные представления о причинах и особенностях глобального экологического кризиса, путях и методах сохранения современной биосферы. Второе издание (е — 2000 г) значительно переработано и дополнено новым материалом по основам экологического права и управления в области охраны окружающей среды. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениями специальностям, а также для подготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов. УДК 574(075.8) Б Б К я I S B N 5 — 7 1 0 7 — 8 2 4 6 — 7 © ООО Дрофа, 2003 Предисловие Содержание учебника соответствует примерной программе дисциплины Экология, одобренной в 2000 г. президиумом Научно-методического совета по биологии Министерства образования РФ для направлений 550 000 Технические науки. Нередко в технических вузах вместо фундаментальных знаний о природе студентам дают лишь информацию об основах инженерной защиты окружающей среды (ОС. В период экологического кризиса особенно важно заполнить этот пробел в общем фундаментальном естественнонаучном образовании. Авторы ставили целью способствовать формированию у студента представлений о человеке как о части природы, о самоценности всего живого и невозможности выживания человечества без сохранения биосферы. После изучения курса студент должен не только иметь представление о взаимоотношениях организмов со средой обитания, структуре биосферы, ее эволюции, глобальных проблемах ОС, но и уметь прогнозировать результаты своей профессиональной деятельности с учетом прямых и многочисленных косвенных последствий для биосферы. В соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования Российской Федерации для экологических факультетов и специальностей вузов в число обязательных входят такие естественнонаучные дисциплины, как география, геология, геохимия, почвоведение и др. Однако в стандартах специальностей технического профиля они не предусматриваются, хотя знание многих вопросов из названных дисциплин является непременным условием правильного понимания курса Экология. Поэтому в данный учебник включены отдельные вопросы геоэко логии. При написании учебника авторы стремились отразить современное состояние соответствующих направлений науки. 4 Предисловие Однако и биология, и экология непрерывно развиваются. Появляются новые факты, пока необъяснимые с существующих позиций либо опровергающие их. Многие фундаментальные концепции, считавшиеся незыблемыми в течение десятилетий и изложенные в научных и учебных изданиях, пересматриваются. Поэтому приходилось выбирать между разными точками зрения, ориентироваться на новизну или достоверность источника, атак же делать многочисленные оговорки и примечания. Каждая наука имеет свою точку отсчета и свои вехи развития. К экологии, также как и к геологии и особенно к биологии, применимы слова А. Эйнштейна Знание является функцией времени. Становление этих наук было долгим, сложными пока не завершено. При этом каждая, с одной стороны, опирается на точные факты из на ни я , ас другой стороны, их теоретическая база до сих пор основана ни гипотезах и интуитивных догадках. Желающим глубже ознакомиться с историей становления и развития этих науки особенно с вопросами гипотезами) возникновения и эволюции нашей планеты и жизни на ней следует обратиться к специальной литературе. Значения одних и тех же величин, приведенные враз н ы х разделах данного учебника, могут различаться, что связано с использованием авторами различных первоисточников. Предметный указатель составлен подробно и включает многочисленные термины, встречающиеся в книге, атак же их синонимы ива р и ан тына писания, поэтому данным изданием можно пользоваться и как словарем-справочником. В авторский коллектив вошли представители трех вузов — Московского государственного технического университета гражданской авиации, Московского государственного университета инженерной экологии, Московского государственного университета им. МВ. Ломоносова. Учебник является результатом более чем семнадцатилетнего опыта чтения авторами курса Экология в технических вузах. Он представляет собой переработанное и дополненное второе издание. По сравнению с первым изданием (2000, изд-во МГУИЭ) переработаны гл. 2, 9 и 10. Для лучшего усвоения из акре плени я материала в конце каждой главы даны контрольные вопросы из ада ни я . Разд, 10.6, 10.9 и заключение написаны НЕ. Николайкиной, гл. 7 и разд. 9.1.6 — совместно НЕ. Николай кино й и НИ. Николай к иным, гл. 1, Предисловие 5 8 и разд. 2.2—2.4, 5.6, 9.2 — ОП. Мелеховой, разд. 10.3 — А. М. Матягиной, остальное — НИ. Николайкиным. Авторы выражают благодарность рецензентам кафедры Экология и промышленная безопасность МГТУ им. Н. Э. Бау мана завкафедрой др техн. наук, проф. СВ. Белов), чл- корр. РАН, д-ру биол. наук, проф. Е. А. Криксунову и чл- корр. РАН, д-ру хим. наук, проф. Н. П. Тарасовой за ценные советы и рекомендации при сборе и анализе исходных материалов, а также всем сотрудниками коллегам, особенно канд. хим. наук В. Е. Леликовои за всемерную помощь в подготовке рукописи к изданию. Авторы ГЛАВА ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Экология — это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. Часто встречается перевод термина экология как учения о доме, жилище. Это неточно. Древние греки понимали этот термин значительно шире. Экосом они называли любое местопребывания человека и хороший пляж, где люди собирались для купания, игорное пастбище, где пастухи пасли овец. В середине XX в. экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало такому пониманию положили работы В. И. Вернадского, В. В. Докучаева, Ю. П. Одума, АД ж . Тенсли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В результате стало ясно, что современная биосфера, среда обитания всех живых организмов, является продуктом их жизнедеятельности неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения ми- риадов живых существ. Почвенная, водная, наземная, воздушная среда жизни есть результат постоянного взаимодействия и взаимопроникновения живого и неживого веществ. Ни один вид живых организмов не может существовать среди себе подобных. Жизнь возможна только в сообществах (биоце нозах) ив строго определенной совокупности условий, характеризующей место их обитания (биотоп. Единство биотопа и биоценоза — основная концепция современной экологии, концепция экосистемы. Экосистемы и биосфера в целом являются высшим уровнем организации живого на планете Земля. Они, как и любая живая система, способны к саморегуляции, тек самосохранению, поддержанию своего видового состава и воспроизведению связей между отдельными видами. Такое представление об устойчивости экосистем, их гомеостазе или, иначе, об эко- 1 •1.1. Цивилизация и природа 7 логическом равновесии — одно из основополагающих понятий современной экологии. Биосфера и отдельные экосистемы могут переносить значительные антропогенные (от греч antropos — человек и gene sis — происхождение) нагрузки благодаря возможности саморегуляции, самоочищения и самовосстановления. Однако эти свойства имеют естественные пределы, которые называют емкостью экосистем. 1.1. Цивилизация и природа 1.1.1. Становление экологии Существование цивилизации на нашей планете неразрывно связано с природными условиями. Она возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволявшие ему изменять среду обитания. Экология приобрела практический интерес уже на заре человечества. Первобытный человек, борясь за выживание, должен был иметь определенные знания о видах животных, их повадках, местах обитания. На протяжении тысячелетий человек пытался покорить природу, но только недавно осознал, что Земляне более чем космический корабль с ограниченными ресурсами. Нерачительное их использование и загрязнение окружающей среды могут сделать невозможной жизнь последующих поколений. Появившись на планете, человек на всех стадиях развития влиял на среду обитания сначала как просто биологический вид, затем как охотник, имеющий специальные орудия, позволяющие уже в эпоху Великих оледенений воздействовать на видовой и численный состав животных. Выжигая леса, собирая съедобные виды растений, он влиял на природу через усиление естественно идущих процессов и формирование антропогенных ландшафтов. Развитие земледелия, скотоводства привело к росту общин и возникновению первых крупных поселений, способствовало прогрессу в изготовлении орудий труда. За 2 тыс. лет дон. э. в Египте и Месопотамии человек создал грандиозные оросительные системы, принципиально изменившие окружающий мир. Происходившие в результате хозяйственной деятельности изменения природных условий тогда еще небыли велики и носили локальный характер. Тем не менее они велик эрозии 8 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ почв, их засолению, опустыниванию, а в конечном итоге к региональным экологическим кризисами исчезновению цивилизаций, их создавших. Возникшие на заре цивилизации города первоначально хорошо вписались в природную среду, несмотря на то что по числу населения многие города древности (Фивы, Вавилон, Рим) вполне сопоставимы с современными. Так, согласно переписи населения Рима, проведенной в 14 г. н. э. императором Августом, в городе проживали 4 млн 937 тыс. человек. Создавая первые города, человек еще неосознанно понимал необходимость соблюдения определенных санитарных норм. Первая из известных сегодня систем городской канализации появилась в III—II тысячелетиях дон. э. в Индии. В Риме был построен водопровод, действовала система канализации. После падения Римской империи в х годах н. э. в городах государств, образовавшихся на ее развалинах, вплоть до XIII—XIV вв. царила антисанитария, ибо необходимые знания были утрачены. Техническая революция, начавшаяся в конце XVIII в, привела к тому, что последствия деятельности человека стали сопоставимы с природными явлениями. 1.1.2. Глобальный экологический кризис В связи с экспоненциальным ростом численности человечества, развитием техники и все большим стремлением к повышению уровня потребления у среднего жителя Земли к концу XX в. возникли предпосылки экологического кризиса, те. перехода биосферы к неустойчивому состоянию. Экспоненциальный рост населения и явления демографического взрыва стали заметны км годам прошлого столетия. Тогда же появились первые работы с прогнозами и сценариями дальнейшего развития жизни на Земле. Это известные работы ученых Римского клуба (А. Печчеи, Д. Форрестера, Денниса и Донеллы Медоузов и др, в которых описана мировая динамика и определены пределы роста населения и развития технологической цивилизации Земли. Позже уточненные математические модели роста населения созданы С.П. Кур- дюмовым, С. П. Капицей. В связи стем что 30% населения Земли практически голодает, был поставлен вопрос о возможности и путях решения продовольственной проблемы, о емкости природной среды, оценена продуктивность биосферы и ее способность прокормить растущее население Земли. В итоге 1.2. Из истории экологии 9 стало ясно, что человечество находится почти у предела допустимой численности и уровня потребления. Современная кризисная ситуация усугубляется тем, что очень быстро вымирают биологические виды. Если нормальные изменения условий в природе сопровождаются вымиранием одного вида залет, тов настоящее время всего зач на Земле исчезает 50 видов. К концу XX в. 63% естественных экосистем суши разрушены, гибнут многие водные экосистемы, и прежде всего морские. Происходит это по разным причинам, связанным как с техногенным загрязнением окружающей среды, таки с распахиванием земель, нерациональным использованием природных ресурсов, однако прежде всего из-за роста народонаселения (особенно в развивающихся странах) и роста уровня потребления в развитых странах. Экологами убедительно доказано, что качеством природной среды автоматически может управлять только биота, те. совокупность всех живых организмов Земли. Анализ моделей и натурные исследования показали, что биологическое разнообразие (разнообразие и количество видов, составляющих экосистему) является главным критерием и признаком устойчивости экосистемы. Искусственно создать среду обитания для человека не удается, что подтверждено многочисленными экспериментами в разных странах мира. Восстановить нормальную природную среду обитания, качество воды, воздуха, почвы, пищи, утерянные ныне в результате экологического кризиса, биота способна, но только в случае, если для восстановления самой биоты будут предоставлены время и место. Поэтому для продолжения жизни биосферы прежде всего необходимо охранять биологическое разнообразие, те. все виды животных, растений, грибов, микроорганизмов, которые и составляют биосферу. При этом виды существуют только в сообществах ив определенных условиях, поэтому для их сохранения необходимо выделить специально охраняемые территории (заповедники, площадь которых на суше должна составлять не менее 1/6 ее части. 1.2. Из истории экологии Экологически мыслили, те. видели связь между живыми организмами и окружающей средой, ученые Древней Греции и Рима. Экология как наука начала формироваться в конце XVIII в, и то сначала как один из разделов зоологии. 10 Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Развитие классической биологии долгое время шло попу ти изучения морфологических и функциональных особенностей организмов в их единстве с условиями существования. Предысторией современной экологии являются труды натуралистов и географов XVIII—XIX вв. Первые представления о биосфере как области жизни и оболочке Земли даны Ж.-Б. Ламарком (1744—1829) в труде Гидрология. Термин биосфера впервые ввел в научный обиход в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (1831—1914), в работах которого биосферу понимали как тонкую пленку жизни наземной поверхности, в значительной мере определяющую лик Земли. Существенной вехой в развитии науки об образе жизни различных живых организмов является труд Т. Мальтуса (1798), в котором приведены уравнения экспоненциального роста популяций как основы демографических концепций. Несколько позже ПФ. Ферхюльст предложил уравнение «логистического» роста (см. разд. 4.4.2). Эти работы обосновали представления о динамике численности популяций. Тогда же в трудах врача В. Эдвардса, философа О. Конта и биолога И. И. Мечникова было положено начало экологии человека. Социальные аспекты экологии человека отражены в трудах О. Конта, Д. Милля и Г. Спенсера, а также американских социологов Р. Парка и Е. Берджеса. В России заслуга в формировании основных положений экологии и экологического мировоззрения принадлежит проф. Московского университета Карлу Францевичу Рулье (1814— 1858). Еще до выхода в свет труда Э. Геккеля он сформулировал основной принцип взаимоотношений организма и среды, названный им Законом двойственности жизненных начал. Им же обозначены проблемы изменчивости, адаптации, миграций и влияния человека на природу. К. Рулье в своих лекциях и печатных трудах обсуждал взаимодействие организмов со средой с позиций, близких дарвиновским. Во второй половине XVIII в. благодаря многочисленным экспедиционным исследованиям флоры и фауны (работы А. Гумбольдта, А. Уоллеса, Ф. Склеттера) в виде отдельной науки начала оформляться биогеография, позже ставшая одной из основ современной экологии. В России ее развитие связано с трудами КМ. Бэра, НА. Северцева и др. 1 Морфология (от греч morphe — форма) — учение о форме и строении организмов. 1.2. Из истории экологии 11 Во второй половине XIX — начале XX вв. большое внимание уделяли изучению влияния отдельных факторов (главным образом, климатических) на распространение и динамику организмов. К догеккелевскому периоду развития экологии относят, в частности, работы ученого-агронома Ю. Либиха, который сформулировал известное правило лимитирующего фактора. Термин экология (от греч oikos — дом, родина и logos — учение) впервые введен в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем (1834—1919). В своем труде Всеобщая морфология (1866) он писал Экология — это познание экономики природы, одновременное исследование взаимоотношений всего живого с органическими и неорганическими компонентами среды, включая антагонистические и неантагонистические отношения животных и растений, контактирующих друг с другом. Преимущественно экология изучает живые системы с уровнем организации от организма и выше (рис. 1.1). Труд Геккеля построен на громадном фактическом материале, накопленном классической биологией, и главным образом посвящен тому направлению, которое сейчас называют аутэкологией или экологией отдельных видов. Кроме того, в трудах Геккеля прослеживается еще одно важное обстоятельство — понимание экологии как экономики природы. С этого времени экология из раздела биологии превращается в междисциплинарную науку, охватывающую многие области знаний. В XX в. в рамках экологии сформировалось самостоятельное направление физиологии, посвященное исследованию механизмов адаптации. В нашей стране представителями этого направления, достигнувшего расцвета в х годах XX столетия, были НИ. Калабухов, АД. Слоним, а в последние годы — акад. И. А. Шилов. В 1927 г. Ч. Элтон выпустил первый учебник-монографию по экологии. В нем было описано своеобразие биоценотиче- ских процессов, дано понятие экологической ниши, обосновано правило экологических пирамид, сформулированы принципы популяционной экологии. Вскоре были предложены математические модели роста численности популяций и их взаимодействия (В. Вольтерра, А. Лотка, проведены лабораторные опыты по проверке этих моделей (Г. Ф. Гаузе). Таким образом, в е годы сформировалось направление экологии популяций, в е годы — понятие экосистемы. Его введение связывают с работами А. Тенсли (1935). Под экосистемой |